基于DDR3存儲器接口控制器IP核的視頻數(shù)據(jù)處理

　　引言

與過去幾代（DDR和DDR2）器件相比，DDR3存儲器器件有了明顯的進步。DDR3存儲器系統(tǒng)可以大大提升各種數(shù)據(jù)處理應用的性能。為了充分利用和發(fā)揮DDR3存儲器的優(yōu)點，使用一個高效且易于使用的DDR3存儲器接口控制器是非常重要的。視屏處理應用就是一個很好的示例，說明了DDR3存儲器系統(tǒng)的主要需求以及在類似數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng)中DDR3接口所需的特性。希望能給大家有個客觀的認知。

　　視頻處理系統(tǒng)將對于數(shù)據(jù)帶寬的要求推高到了極致：系統(tǒng)可以處理越多的數(shù)據(jù)，就具有越高的性價比。視頻聚合器和路由器可并行處理多個視頻流，因此對于匹配數(shù)據(jù)處理能力和視頻帶寬的需求就成為了設計的一大挑戰(zhàn)。FPGA可通過在單個FPGA中實現(xiàn)多個視頻處理器來提供強大的處理能力。那么現(xiàn)在的挑戰(zhàn)就變成了要使數(shù)據(jù)盡快且高效地從FPGA進出。DDR3存儲器系統(tǒng)在大多數(shù)情況下可以為這些基于FPGA的系統(tǒng)提供足夠的帶寬。

　　視頻處理設計說明

　　我們的目標視頻處理設計將同時處理四個視頻源，將視頻數(shù)據(jù)轉換和壓縮為一種可以通過PCI Express接口傳輸?shù)酱鎯ζ鱤ub的格式。系統(tǒng)的主要功能塊如圖1所示。

　　圖1:視頻處理器框圖

　　FPGA獲取并緩存四個視頻源的數(shù)據(jù)流。這些FIFO緩沖器由DDR3存儲器控制器清空并保存在DDR3存儲器中。一旦一個完整的視頻數(shù)據(jù)包存儲完畢，視頻處理器會向DDR3存儲器控制器申請數(shù)據(jù)，存儲器控制器讀取數(shù)據(jù)并將其傳到視頻處理器。視頻處理器對視頻數(shù)據(jù)進行格式化和壓縮，并通過DDR3存儲器控制器寫回存儲器。當一個視頻數(shù)據(jù)包全部處理完畢，并準備通過PCI Express接口進行傳輸，DDR3存儲器控制器從視頻處理器獲取數(shù)據(jù)并將其傳到PCI Express接口。

　　DDR3存儲器接口控制器概述

　　雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR3）同步動態(tài)隨機存取存儲器（SDRAM）控制器是一種通用存儲器控制器，能與行業(yè)標準的DDR3 SDRAM器件和具有JESD79 - 3C型規(guī)范兼容的模塊接口。并對用戶應用提供了一個通用命令接口。DDR3 SDRAM是新一代SDRAM存儲器技術，具有更快的速度，緩沖SSO，由于直接將信號連到SDRAM，取代了低偏移的樹狀分布的方法，因此減少了布線。這個IP核減少了需要整合DDR3存儲器控制器與應用的其余部分所需投入的工作量。

　　特點

　　支持所有LatticeECP3“EA”器件

　　能與工業(yè)標準的DDR3 SDRAM器件和具有JESD79 - 3C規(guī)范兼容的模塊接口

　　高性能DDR3，高達400 MHz/800 Mbps的操作

　　支持存儲器數(shù)據(jù)路徑寬度為8 - ，16 - ，32和64位

　　支持x8和x16器件配置

　　支持無緩沖的DDR3 DIMM

　　支持一個DIMM和每個DIMM的一個級

　　8（固定）、“chopped 4”，或8（傳輸），或“chopped 4”（固定）的可編程突發(fā)長度

　　可編程的CAS延遲

　　可編程寫延遲

　　四位順序或交織的讀突發(fā)類型

　　支持自動的DDR3 SDRAM的初始化和刷新

　　對每個DQS自動寫

　　支持掉電模式

　　支持動態(tài)片上終端（ODT）的控制

　　終端數(shù)據(jù)選通（TDQS），僅適用x8寬度

　　ECP3 IO原語管理讀偏移（讀電平相等）

　　自動可編程間隔刷新，或用戶啟動刷新

　　DDR3的SDRAM控制器可作為IPexpress用戶可配置的IP核，能夠進行IP的配置，生成網表和模擬文件用于設計。請注意，除非購買了這個IP 的許可證，否則生成的位流可能會被阻止，或比特流可能有時間邏輯。

　　圖2:DDR3存儲器控制器IP核框圖

DDR3存儲器控制器應支持廣泛的存儲器速率和配置，以滿足各種應用需求。例如，Lattice ECP3 DDR3存儲器控制器支持高達800Mb/s的DDR3器件速率，8至64位的存儲器數(shù)據(jù)通道（帶有x8或x16 DDR3器件），并且同時支持雙列直插式存儲器塊（Dual Inline Memory Modules,DIMM）和單個存儲器的器件。

　　DDR3存儲器控制器必須為各種存儲器訪問實現(xiàn)不同的時序要求。一些要求對于我們的目標應用來說非常重要，包括以下幾個方面：

　　DDR3存儲器使用"類似cache"的bank進行組織，每個器件帶有8個bank.訪問最近工作（打開）的bank比訪問未工作的（關閉）的bank速度快。

　　可使用4位、8位或交叉存取方式進行突發(fā)（burST）模式讀訪問。

　　根據(jù)存儲器速率和用戶設置，CAS和寫延遲都是可變的。從讀請求轉換為寫請求需要額外的延遲時間，因為雙向的數(shù)據(jù)總線必須改變傳輸方向。

　　針對視頻處理的IP核實現(xiàn)

　　為了使存儲器數(shù)據(jù)帶寬和效率最大化，針對視頻處理設計的IP核實現(xiàn)需根據(jù)DDR3存儲器特性使用相匹配的算法。下面列出了一些重要的實現(xiàn)考慮。

　　使用突發(fā)（Burst）模式的數(shù)據(jù)訪問

　　DDR3存儲器可通過突發(fā)模式訪問，突發(fā)模式在數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊形式存放（如視頻處理應用）的應用中是非常有效的。同樣，通過將視頻數(shù)據(jù)以優(yōu)化的方式放入8個bank中，數(shù)據(jù)傳輸帶寬和之后的數(shù)據(jù)處理率可維持在一個高速的水平。在我們的示例中有4個視頻源，因此如果我們?yōu)槊總€視頻源使用2個bank（一個用作存儲緩沖器，另一個用作處理緩沖器），這將使DDR3保持高傳輸效率。高效的DDR3存儲器控制器應當基于每個bank的狀態(tài)，使用最快的訪問時間處理突發(fā)讀和寫。此外，視頻處理器將事務分組，使總線換向時間最小化并進一步提高存儲器帶寬。 更高帶寬的數(shù)據(jù)緩沖分配

　　來自視頻源1的數(shù)據(jù)可通過FIFO讀取并存儲到DDR3存儲器中的Bank 1.這將是一個只寫操作，可以使用突發(fā)模式來保持傳輸?shù)母咝?。一旦一個數(shù)據(jù)包保存到Bank 1,視頻處理器可從Bank 1讀出數(shù)據(jù)，對其進行操作并存入Bank 2.這些操作都可使用突發(fā)模式，因此總線換向的花銷僅占用存儲器帶寬的很小的百分比。一旦Bank 2中的數(shù)據(jù)經過處理后可被讀出，還是使用突發(fā)模式，然后發(fā)送到PCI Express接口，再傳輸?shù)絟ub.盡可能地保持存儲器bank為打開狀態(tài)可使得控制器使用最短的存儲器訪問時間，從而提高了效率。

　　使用交叉存取的并行數(shù)據(jù)處理

　　數(shù)據(jù)讀可在bank之間切換或交叉存取，而無需大量延遲或總線換向時間。因此，只要處理硬件能夠支持，多個視頻流可通過視頻處理器同時處理。當處理好的數(shù)據(jù)寫回DDR3存儲器時，多個寫操作也可以通過交叉存取來提高帶寬。一個易于使用和可預測的存儲器控制器，如：ECP3 DDR3存儲器控制器，在用戶基于其對數(shù)據(jù)處理的基本算法的了解的情況下來分配存儲器緩沖區(qū)時，可以最小的硬件和軟件開銷來實現(xiàn)最大的帶寬。

　　刷新和初始化

　　因為DDR3存儲器中的數(shù)據(jù)必須定期進行刷新，一些存儲器訪問必須分配給刷新操作。DDR3控制器應支持自動刷新指令隊列，它可能是深度為8的指令集，可以作為一個指令組來執(zhí)行，以使效率最大化。DDR3器件的初始化過程是非常繁復的并且很容易出錯，特別是在手動執(zhí)行時。DDR3控制器的初始化模塊應該通過與用戶邏輯的一次簡單的握手，自動初始化存儲器，從而極大地簡化了接口設計。

　　流水線的指令處理

　　存儲器控制器應當使用指令流水線來提高吞吐率，在當前指令出現(xiàn)在存儲器接口時，譯碼隊列中的下一條指令。這種方法提供了高于雙周期存儲器控制器100%的吞吐量。

　　功耗管理

　　在一些DDR3應用中，功耗管理可能是一個需要考慮問題。在一些設計中，使用Power Down指令是非常有用的。該指令在沒有數(shù)據(jù)訪問需求的時候，降低功耗。在power down狀態(tài)下，器件功耗的降低可達90%.萊迪思DDR3存儲器控制器支持該指令。此外，萊迪思ECP3為帶有SERDES和高速接口，如DDR3存儲器控制器的應用提供最低功耗的可編程解決方案。

　　設計和驗證流程

　　DDR3存儲器控制器IP核必須易于配置、生成并應用到一個目標設計中。使用圖形化用戶界面（GUI）來配置各種DDR3控制器參數(shù)是一種簡便的方法，為目標系統(tǒng)快速創(chuàng)建正確的控制器。所有的參數(shù)都需要確定，如：存儲器寬度、深度、速度和延遲。每一類配置參數(shù)都有其獨立的選項卡，有助于將設計任務分為一個個可管理的"任務塊".一旦參數(shù)選定，生成代碼（用VHDL或Verilog）和生成相應的測試基準應當是比較容易的。

　　例如，萊迪思IPexpress工具只需三個步驟，如圖3所示，在ispLEVER設計軟件中創(chuàng)建ECP3 DDR3存儲器控制器IP核：

　　1）從萊迪思網站下載IPexpress工具并將IP核導入。

　　2）IP核參數(shù)可通過每個配置組對應的選項卡進行選擇，配置組有：類型、設置、時序、引腳和設計工具。

　　3）基于Verilog或VHDL的IP核和測試基準一起生成，包括頂層、監(jiān)視器、指令生成器、用于Aldec或ModelSim的配置和腳本文件。

　　圖3:下載、配置和生成IP核設計流程

　　小結

　　我們對很多數(shù)據(jù)處理應用的設計中，如本文中視頻處理的例子，當存儲器具有足夠的帶寬時，可以充分利用FPGA的并行處理能力的優(yōu)勢。DDR3存儲器具有靈活、易于使用的存儲器控制器。此外，一個經驗證的IP核與可靠的設計和驗證環(huán)境也加速了這些應用的上市。